DE102014017188A1

DE102014017188A1 - UV-Sensor

Info

Publication number: DE102014017188A1
Application number: DE102014017188.4A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Krüger; Uwe Kanigowski
Original assignee: Xylem IP Management SARL
Current assignee: Xylem Industries SARL
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US10221081B2; EP3221266B1; DK3221266T3; CN107108272B; WO2016078865A1; AU2015348851B2; ES2729628T3; CA2967090A1; US20180141830A1; CN107108272A; AU2015348851A1; CA2967090C; EP3221266A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahleranordnung (1) mit einer UV-Strahlungsquelle (2), einem die UV-Strahlungsquelle (2) umgebenden Hüllrohr (3), das an einem offenen Ende (12) eine Stirnfläche (13) aufweist, und mit einem UV-C-Sensor (6) mit einer sensitiven Fläche, wobei der UV-C-Sensor (6) in optischer Verbindung mit der Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) steht, so dass die sensitive Fläche des UV-C-Sensors (6) in einem Betrieb der UV-Strahlungsquelle (2) die aus der Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) austretende UV-Strahlung detektieren kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahleranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine UV-Desinfektionsanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
UV-Strahler werden seit vielen Jahrzehnten für Desinfektion von Trinkwasser und Abwasser, in Klimaanlagensümpfen und zur Desinfektion von Arbeitsbereichen in biologischen Laboratorien eingesetzt.
In Anlagen zur UV-Wasseraufbereitung werden UV-C-Strahlungsquellen in einem Quarzglashüllrohr zur Wasserbestrahlung angeordnet. Das Hüllrohr schützt die Strahlungsquelle vor Beschädigungen von außen und gewährleistet gleichzeitig eine effiziente Betriebstemperatur.
UV-Desinfektionsanlagen umfassen eine Vielzahl von UV-Strahlern, die in wenigstens einem vom Wasser durchströmten Durchflussreaktor angeordnet sind. Beim Durchströmen des Reaktors wird das Wasser einer hinreichenden Dosis an UV-C-Strahlung ausgesetzt, um den gewünschten Effekt zu erreichen. Ein Problem dabei ist, dass die UV-Strahler einer natürlichen Alterung unterliegen. Diese Alterung, die mit einer Abnahme der Strahlungsleistung einhergeht, muss daher überwacht werden, damit eine zuverlässige UV-Bestrahlung des Wassers möglich ist. Ist die Strahlungsleistung unter ein Minimum abgesunken, so muss der Strahler ausgetauscht werden. Die abgegebene Strahlungsleistung wird von UV-Sensoren überwacht.
Herkömmlicherweise sind diese UV-Sensoren in dem Durchflussreaktor zwischen den Hüllrohren der Strahler und orthogonal zu den parallel zueinander orientierten Strahlerachsen angeordnet, wodurch das gemessene Signal sich grundsätzlich aus einer Überlagerung der Strahlungsanteile aus mehreren Strahlungsquellen zusammensetzt. Um die UV-Strahlungsleistung über den Durchflussreaktor lückenlos zu überwachen und die Betriebssicherheit von Mehrstrahleranlagen zu verbessern, ist eine Einzelstrahlerüberwachung wünschenswert.
Aus der DE 297 07 052 U1 ist eine Einzelstrahlerüberwachung bekannt, bei der ein UV-Sensor zwischen der Strahlungsquelle und dem Hüllrohr in einem kleinen Abstand zur Strahlungsquelle angeordnet ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Strahleranordnung und eine UV-Desinfektionsanlage anzugeben, die eine Einzelerfassung der UV-Strahlungsintensität einer UV-Strahlungsquelle ermöglichen und dabei einen einfachen Ein- und Ausbau der Strahlungsquelle erlauben.
Diese Aufgabe wird von einer Strahleranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer UV-Desinfektionsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Danach ist eine Strahleranordnung mit einer UV-Strahlungsquelle, einem die UV-Strahlungsquelle umgebenden Hüllrohr, das an einem offenen Ende eine Stirnfläche aufweist, und mit einem UV-C-Sensor mit einer sensitiven Fläche, vorgesehen, wobei der UV-C-Sensor in optischer Verbindung mit der Stirnfläche des Hüllrohrs steht, so dass die sensitive Fläche des UV-C-Sensors in einem Betrieb der UV-Strahlungsquelle die aus der Stirnfläche des Hüllrohrs austretende UV-Strahlung detektieren kann. Die durch Totalreflexion in dem Hüllrohr reflektierte UV-Strahlung der UV-Strahlungsquelle, wird bei dem Austritt aus der Stirnfläche des Hüllrohrs gemessen. Eine Einzelerfassung der UV-Strahlungsintensität der UV-Strahlungsquelle ist somit möglich. Da der Sensor außerhalb des Hüllrohres angeordnet ist, ist eine Montage bzw. Demontage der UV-Strahlungsquelle einfach durchzuführen.
Vorzugsweise ist das Hüllrohr zylindrisch und weist eine gleichmäßige Wandstärke auf, so dass die Stirnfläche ringförmig ist.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der UV-C-Sensor Teil einer Sensoreinheit mit einer Einkoppeloptik ist, wobei die Stirnfläche des Hüllrohrs in Sichtverbindung mit der Einkoppeloptik steht und die Einkoppeloptik die aus der Stirnfläche des Hüllrohrs austretende UV-Strahlung an den UV-C-Sensor weitergibt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Einkoppeloptik ein Lichtleiter ist und beabstandet zur Stirnfläche des Hüllrohrs angeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einkoppeloptik in Anlage an die Stirnfläche angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der UV-C-Sensor beabstandet und in direkter Sichtverbindung zur Stirnfläche des Hüllrohrs angeordnet. Eine Einkoppeloptik ist dabei nicht vorgesehen. Der UV-C-Sensor misst direkt die aus der Stirnfläche des Hüllrohrs austretende UV-Strahlung. Dabei kann der UV-C-Sensor auch in Anlage an die Stirnfläche des Hüllrohrs angeordnet sein.
Vorzugsweise ist die Stirnfläche des Hüllrohrs parallel zu einer sensitiven Fläche der Einkoppeloptik und/oder sensitiven Fläche des UV-C-Sensors angeordnet.
Weiterhin bevorzugt, weist die Sensoreinheit einen Kantenfilter auf.
Bei den genannten Ausführungsformen ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Hüllrohr an seinem freien Ende in einen Sitz eines Verbindungselementes aufgenommen ist, wobei das Verbindungselement die Lage des Hüllrohrs zur UV-Strahlungsquelle vorgibt und das Hüllrohr nach außen hin abdichtet.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Verbindungselement und die Sensoreinheit jeweils einen elektrischen Anschluss aufweisen.
Weiterhin vorgesehen ist eine UV-Desinfektionsanlage zur Desinfektion von Wasser, aufweisend wenigstens eine Strahleranordnung mit wenigstens einem der vorhergehenden Merkmale. Vorzugsweise weist die UV-Desinfektionsanlage eine Vielzahl von solchen Strahleranordnungen auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind und in einer gemeinsamen Halterung gehalten sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Strahleranordnung 1 mit einer Strahlungsquelle 2, die von einem im wesentlichen zylindrischen Hüllrohr 3 aus UV-durchlässigem Material entlang ihrer Längsachse 4 konzentrisch umgeben ist und mit einem Verbindungselement 5 und einem UV-C-Sensor 6. Das Verbindungselement 5 weist eine Buchse 7 auf, in der ein Kontaktsockel 8 der Strahlungsquelle 2 aufgenommen ist. Die Buchse 7 durchsetzt eine kreisförmige Scheibe 9, die im Zusammenspiel mit einem das Hüllrohr 3 im Bereich der Buchse 7 umgebenden Dichtungssystem 10 als Sitz 11 für das Hüllrohr 3 an seinem offenen Ende 12 fungiert. Das Hüllrohr 3 weist eine gleichmäßige Wandstärke auf und ist an seinem Ende 12 senkrecht zu seiner Längsachse 4 abgeschnitten, wodurch sich eine ringförmige Stirnfläche 13 bildet. Die Stirnfläche 13 liegt zumindest teilweise in Anlage mit der Scheibe 9. Das Dichtungssystem 10 dichtet das Hüllrohr 3 nach außen hin ab. Die Buchse 7 des Verbindungselements 5 ist mit einem elektrischen Anschluss 14 für einen Anschlussstecker 15 der Strahleranordnung 1 verbunden. Der Anschlussstecker 15 wird mit dem Anschluss 14, der Teil des Verbindungselements 5 ist, mittels einer Überwurfmutter 16 befestigt. Zur Montage des Dichtsystems 10 ist eine zweite Überwurfmutter 17 vorgesehen.
Die Scheibe 9 weist im Bereich des Sitzes 11 für das Hüllrohr 3 eine durchsetzende Ausnehmung 18 auf, in der wenigstens zum Teil eine Einkoppeloptik 19 des UV-C-Sensors 6 angeordnet ist. Der UV-C-Sensor 6 ist über ein Verbindungselement 20 mit einem elektrischen Anschlussstecker 21 verbunden.
Das von der UV-Strahlenquelle 2 erzeugte Licht wird beim Durchtritt durch das UV-durchlässige Material des Hüllrohrs 3 gebeugt. Bevorzugt besteht das Hüllrohr 3 aus Quarzglas. Dabei kommt es teilweise zur Totalreflexion. Ein Teil des Lichts verbleibt somit im Hüllrohr 3 und wird dort hin und her reflektiert. Das Hüllrohr 3 fungiert somit als eine Art Lichtleiter. Die UV-Strahlung tritt an der Stirnfläche 13 des Hüllrohrs 3 aus und wird über einen Luftspalt mittels der Einkoppeloptik 19 dem Sensor 6 zugeführt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einkoppeloptik 19 direkt an die Stirnfläche 13 ankoppelt. Weiterhin kann auch eine direkte axiale Ankopplung des Sensors 6 an die Stirnfläche 13 mit oder ohne Luftspalt sinnvoll sein. In allen Fällen ist es vorteilhaft, wenn der UV-Sensor 6 einen Kantenfilter aufweist. In der hier dargestellten Ausführungsform wird nur ein Teil des aus der ringförmigen Stirnfläche 13 austretenden Lichtes für die Messung verwendet.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass geeignete optische Übergangsstücke eingesetzt werden, die eine flächendeckendere oder sogar eine Gesamtausnutzung der von der ringförmigen Stirnseite 13 abgegebenen Strahlung ermöglichen.
Die ankoppelnde Fläche des Sensors 6 bzw. der Einkoppeloptik 19 muss nicht zwangsläufig orthogonal zur Längsachse der Strahlungsquelle 4 verlaufen.
Vorzugsweise weist der UV-C-Sensor 6 eine Siliziumkarbid (SiC) Diode auf.
Die UV-Strahleranordnungen können Teil eines Durchflussreaktors einer UV-Strahlungsanlage, auch Modul genannt, sein. Das Modul weist eine Bodenplatte, die mit ihrer Unterseite auf dem Boden eines von Wasser durchströmten Kanals aufsteht und eine damit verbundene Halterung auf, in der die UV-Strahleranordnungen parallel zueinander gehalten sind. Die UV-Strahleranordnungen sind dabei mit ihren einen Enden in der Halterung gehalten und mit ihren anderen Enden stehen sie auf der Oberseite der Bodenplatte auf. Die Verbindungselemente und die elektrischen Anschlüsse ragen dabei aus dem Wasser heraus.
Nach der Erstinstallation einer UV-Desinfektionsanlage mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen UV-Strahleranordnungen wird eine Normierungsmessung vorgenommen, bei der das von den UV-Sensoren gemessene Signal aufgezeichnet wird. Diese Normierungsmessung erlaubt es unabhängig von den zuvor genannten Ausführungsformen, die relative Strahlungsintensität der Einzelstrahler im Betrieb der Anlage zu bestimmen. Beim Betrieb einer Mehrstrahleranlage ist somit ein direkter Vergleich von Strahlungsanteilen aller installierten Strahlenquellen möglich.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Strahleranordnung an, die eine Einzelerfassung der UV-Strahlungsintensität einer UV-Strahlungsquelle weitestgehend ermöglicht.
Der ausgekoppelte Strahlungsanteil ist repräsentativ für die Strahlerleistung und ein Maß für den Strahlungsfluss der UV-Strahlung in das Wasser. Zwar tragen auch hier benachbarte Strahlungsquellen einen Signalanteile zum Messsignal des UV-C-Sensors bei, aber dieser Anteil ist nahezu unbedeutend.
Durch die Anordnung des UV-C-Sensor außerhalb des Hüllrohres, im Bereich des Verbindungselements, ist die Strahlungsquelle einfach auszutauschen. Die erfindungsgemäße Messung der Strahlerleistung erfolgt somit unabhängig von äußeren Einflüssen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29707052 U1 [0006]

Claims

Strahleranordnung (1) mit einer UV-Strahlungsquelle (2), einem die UV-Strahlungsquelle (2) umgebenden Hüllrohr (3), das an einem offenen Ende (12) eine Stirnfläche (13) aufweist, und mit einem UV-C-Sensor (6) mit einer sensitiven Fläche, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-C-Sensor (6) in optischer Verbindung mit der Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) steht, so dass die sensitive Fläche des UV-C-Sensors (6) in einem Betrieb der UV-Strahlungsquelle (2) die aus der Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) austretende UV-Strahlung detektieren kann.
Strahleranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (3) zylindrisch ist und eine gleichmäßige Wandstärke aufweist, so dass die Stirnfläche (13) ringförmig ist.
Strahleranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-C-Sensor (6) Teil einer Sensoreinheit mit einer Einkoppeloptik (19) ist, wobei die Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) in Sichtverbindung mit der Einkoppeloptik (19) steht und die Einkoppeloptik (19) die aus der Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) austretende UV-Strahlung an den UV-C-Sensor (6) weitergibt.
Strahleranordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (19) ein Lichtleiter ist und beabstandet zur Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) angeordnet ist.
Strahleranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-C-Sensor (6) beabstandet und in direkter Sichtverbindung zur Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) angeordnet ist.
Strahleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (13) des Hüllrohrs (3) parallel zu einer sensitiven Fläche der Einkoppeloptik (19) und/oder sensitiven Fläche des UV-C-Sensors (6) angeordnet ist.
Strahleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einen Kantenfilter aufweist.
Strahleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (3) an seinem freien Ende (12) in einen Sitz (11) eines Verbindungselementes (5) aufgenommen ist, wobei das Verbindungselement (5) die Lage des Hüllrohrs (3) zur UV-Strahlungsquelle (2) vorgibt und das Hüllrohr (3) nach außen hin abdichtet.
Strahleranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) und die Sensoreinheit jeweils einen elektrischen Anschluss (14, 21) aufweisen.
UV-Desinfektionsanlage zur Desinfektion von Wasser aufweisend wenigstens eine Strahleranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
UV-Desinfektionsanlage nach Anspruch 10 mit einer Vielzahl von Strahleranordnungen (1), die parallel zueinander ausgerichtet sind und in einer gemeinsamen Halterung gehalten sind.